工业冷冻站系统节能设计

工业冷冻站系统节能设计

摘要本文结合作者多年来工业厂房冷冻站系统的设计经验与体会，进行分析和总结，提出了工业冷冻站系统设计的优化建议及节能措施。

关键词冷冻站；热回收；免费制冷（Free cooling）；节能

、工厂通常都会设立动力站提供全厂所需冷热源，有些芯片厂由于工艺需求冬季需制冷，夏季需制热，每年能源费用甚至以千万元计。在近年国家鼓励节能减排的形势下，节能设计越来越重要。

1 冷冻站节能系统设计

1.1 热回收系统

工厂冷冻站通常会设置冷冻站提供全厂冷源，并设置燃气或燃油锅炉房提供全厂热源。冷水机组在制冷的时候，冷凝器的热量是通过冷却塔散到大气中的。该部分的热量如能利用起来将会节省不少燃气或燃油的费用。

1.1.1 应用条件

冷凝器废热利用的前提是冷水机组需要开启，即工厂有冷负荷需求。对于一些有温湿度要求的工厂车间，冬季也有冷负荷需求，此时热回收系统就可以派上用场。

1.1.2 应用方式

冷凝器热回收有两种方式：一种是外置板式换热器，热回收水通过板式换热器与冷却水换热后供至末端。该方案的优点是冷水机组可采用普通型，仅需增加板式换热器和相应的管路，系统初投资小。缺点是冷凝器冷却水的出水温度一般为37℃，再高则会影响冷机的制冷效率和运行稳定。相应的经过板换换热后的热回收水温最高只有35～36℃，并且该温度会随着冷机的冷却水出水温度波动而波动，不够稳定。

热回收用的较多的方式为第二种，即采用全热回收型冷水机组，冷水机组自带热回收冷凝器。高温制冷剂先流经热回收冷凝器优先给热回收水换热，再流经冷却塔冷凝器将热回收用不完的热量经冷却塔散掉。通过冷却水管的旁通阀控制上冷却塔的散热量从而间接控制热回收水的供水温度。

该方案虽然冷水机组初投资增加，但优点是热回收水温度可以高达45℃，且供水温度更稳定，无需外置板式换热器，节省站房空间。

1.2 免费制冷（Free cooling）系统

免费制冷是指利用自然界大气的冷量做为冷源来提供全厂冷负荷，此时冷水机组可以停止运行，从而达到节能的目的。

1.2.1 应用条件

免费制冷是由冷却塔将冷却水与大气换热来实现，因此冷却塔冷却水出水温度需低于末端需求的温度才能应用。

1.2.2 应用方式

冷冻站免费制冷系统也有两种方式：一是采用开式冷却塔加板式换热器的方式，冷冻水通过板式换热器与冷却水换热后供至末端用户。冬季时，冷水机组停止运行，冷却水和冷冻水分别切换至板式换热器，进入免费制冷模式。有温湿度要求的工厂车间和工艺冷却水即使在冬季都有冷负荷需求，采用免费制冷系统节能效果显著。缺点是由于冷冻水经过了一道板换，供水水温会比冷却水温度高1～2℃，而且冷却水泵和冷冻水泵都需要运行。

另一种方式是采用闭式冷却塔，由于是闭式循环水质更好，所以冷却塔冷却水可以直接供至末端用户。冬季时，冷水机组和冷却水泵均停止运行，冷冻水切换至闭式冷却塔，进入免费制冷模式。该系统少了板式换热器，冷冻水温度可以更低些，而且冷却水泵无需运行，节能效果更好。缺点是闭式冷却塔造价昂贵，系统初投资会大大增加。

1.3 低温冷水机组与中温冷水机组分开设置

冷冻水出水温度越低，冷水机组的效率就越低。一般空调除湿会要求冷冻水供水温度5～7℃，但其它包括工艺在内大量的冷负荷有时候并不需要这么低的温度。设计冷冻站时如果只设计一种水温，系统虽然简单，但却增加了能耗。此时将低温冷水机组与中温冷水机组分开设置可以起到很好的节能效果。

以2000RT的制冷量为例，6℃出水的低温冷水机组耗电量约1270kW。同样制冷量的12℃出水的中温冷水机组耗电量约1063kW，节能约16%。

1.4 水泵变频

规模大的冷冻站水泵台数会很多，耗电量很大，如何减小水泵的耗电量应当引起重视。

一次泵定流量和二次泵变流量系统的冷冻水一次泵，冷却水泵均不设变频器，水泵定流量运转。由于管网水力不平衡、扬程设计裕量偏大、主管一次到位而设备分期实施等原因，实际运行时水泵流量往往偏大，而水泵轴功率是随着流量增加而增加的，这就造成水泵过流状态运行能耗增加。

为了防止水泵过流，可以在水泵出口装设限流止回阀，通过调节阻力使水泵达到额定扬程，从而达到额定流量，起到节能的目的。当水泵与冷水机组一对一连接时，各台冷水机组也处于额定流量。如果冷冻水或冷却水采用母管制系统，则还需在冷机侧装设定流量动态平衡阀，使各台冷机侧的流量平衡。采用限流止回阀或流量平衡阀虽然水泵不再过流，但是增加了管道阻力，还是不够节能。

采用变频水泵则可以解决该问题，如图1。

水泵与冷水机组一对一连接，水泵出口管道装设流量计，水泵根据流量控制变频，使冷水机组维持在额定流量下运行。水泵变频器还可以做为软启动器使用，对电网影响最小，延长设备寿命。

2 冷冻站应用案例

结合作者以往设计的案例做一讲解。

案例一：

上海某芯片厂06年建新中央动力站，冷冻站位于4层，屋面设置冷却塔。

冷冻站设计8台1000RT离心式机组，2台1 000RT水源热泵机组，3台1000RT热回收机组（热回收量4000kW）。系统设计为二次泵变流量系统，冷冻水一次泵和冷却水泵与冷水机组采用一对一连接，均设有变频器，根据出口流量控制水泵运行频率。

新动力站建成后，业主对老厂房动力系统进行改造，冬季由热回收机组提供工艺冷却水和干盘管等冷负荷，同时热回收水用于纯水站的原水加热。夏季时，热回收水用于洁净室新风再热。应用下来节能效果显著，获政府补贴奖励。

案例二：

昆山某数据中心冷冻站，设计冷冻水一次泵变流量系统。由于数据中心的设备发热量大，冬季冷负荷需求相对夏季并没有减少多少，采用免费制冷系统是最佳方案。

设计冬季冷却塔供回水温度12/17℃供空调系统；夏季为冷水机组服务，供回水温度32/37℃。冷却塔的选型应能同时满足夏季和冬季工况的需求。按照夏季水温和气温条件设计制造的冷却塔温降5℃，如流量不变，冬季随着气温的降低，水分子的运动动能减小，分子扩散能力降低，即水蒸发量减少，带走的热量将有所减少，如想获得与夏季相同的冷却量和水温降，就必须加大空气和出水的温差，靠显热交换获得冷却量。

按某品牌冷却塔选型，冷却塔冬季工况（湿球温度7℃，12/17℃）下的制冷量仅为夏季工况（湿球温度29℃，32/37℃）的65%左右。因此冷却塔按冬季免